商业纤维产品派生自立式多孔Carbonized-Membranes高效太阳能蒸汽发电
现任林
Dingshan余- 重点实验室高分子复合材料和功能材料中国教育部、广东省工程技术研究中心的高性能有机和高分子光电功能薄膜,化学学院,中山大学,广州,中国
,独立的多孔carbonized-membranes (CMs)来源于一系列商业纤维产品,其中包括airlaid论文,论文和洁净室雨刷纤维素一步碳化在160°C首次探索了作为独立的太阳能吸收器,实现高效太阳能蒸汽发电。这些新近发展起来的CMs不仅表现出强烈的吸收(低反射)和快速运输蒸汽/液体,还拥有限制热扩散。所有这些优点呈现CMs与优秀的太阳能汽化蒸发性能。尤其是CMs源自碳化纤维素论文(ccp)表现出最好的性能,使水蒸发率的0.959公斤·m−2·h−1和65.8%的能量转换效率1千瓦·m−2太阳能照明,由于更高的光吸收(92.20%)和较低的导热系数(0.031 W·m·k - 1)有利的竞争与非盟nanoparticles-loaded airlaid论文(Au-APs, 0.856公斤·m−2·h−1,58.7%)。由于低成本、可回收性、高效蒸发性能,CMs,尤其是ccp,显示巨大的潜力作为大规模应用太阳能的太阳能吸收器蒸汽发电。
介绍
太阳能蒸汽一代最有前途的技术之一缺水(香农et al ., 2008;以利米勒和菲利普,2011;倪et al ., 2016),重点从太阳能热能的有效转换,吸引了很多研究关注(以利米勒和菲利普,2011;周et al ., 2016 c)。这样充满希望和高效light-to-heat转换技术可广泛应用于饮用水净化领域,国内热水(Ghasemi et al ., 2014;倪et al ., 2016)、太阳能海水淡化(朱et al ., 2016;刘et al ., 2017)、吸收式制冷机(施梅尔,2008;菲尔波特,2011;刘易斯,2016)和污水处理(刘et al ., 2015 b;卢et al ., 2016)等。然而,传统技术的太阳能蒸汽发电通常依赖于复杂的和昂贵的光学集中器来提高水蒸发,导致大量的能量损失和长期设施的维修费用(Karagiannis之间,2008年;Lenert和王出版社,2012年;El-Agouz et al ., 2014;刘et al ., 2015 c)。因此,有必要对太阳能蒸汽发电开发更具成本效益的高效蒸发器。
一般来说,高效太阳能蒸发强烈依赖于高效蒸发器吸光。在前面的研究中,电浆(王et al ., 2014;Bae et al ., 2015;刘et al ., 2015 c;周et al ., 2016 b,2017年),碳基材料(Ito et al ., 2015;周et al ., 2016 a;胡锦涛等人。,2017年),都进行了广泛的研究报道中吸收器由于其非凡的太阳热能转换效率。然而,为了降低成本和提高蒸发效率,大多数先前的报道通常添加低成本/绝缘支持(如。airlaid纸刘et al ., 2015 c,2017年;卢et al ., 2016;王et al ., 2017 a,b)有效吸光材料(如。炭黑(刘et al ., 2015 a,2017年和金纳米粒子刘et al ., 2015 c;王et al ., 2017 b构建多层复合吸收剂)。然而,复合结构经常遭受昂贵的准备(复杂的过程)和热/传质界面障碍,不利于大面积的工业生产(林et al ., 2018)。因此,理想的太阳能吸收器不仅要承受高light-to-heat高效的太阳能蒸汽发电转换效率,也使成本效益和简单准备大规模工业生产。
由于低成本和丰富,商业纤维产品,如airlaid论文(APs),纤维素的论文(CPs)和洁净室雨刷(水煤浆),已被用于清洁光学/医疗设备、电池分隔符,和太阳能蒸汽发电(Nyholm et al ., 2011;徐et al ., 2015;王et al ., 2017 a,b)。他们不仅可以成为一个伟大的支持层吸收材料,但也有很大的潜力成为一个独立的太阳能吸收器没有任何添加剂的吸收层,由于轻便的优点,机械稳定性和低导热系数(刘et al ., 2017)。
在这项工作中,我们表明,独立的多孔carbonized-membranes (CMs)来自商用纤维产品(例如,APs, CPs,水煤浆)通过一步碳化在160°C,第一次,可以直接用作独立的太阳能吸收器,实现高效太阳能蒸汽发电。我们建议的CMs可以显示多个优势促进蒸发效率包括强烈的吸收(低反射率)由于碳化,快速运输的气/液,因为多孔结构,并限制热扩散归因于导热系数低。正如所料,碳化纤维素报纸(ccp)更高的光吸收(92.20%)和较低的导热系数(0.031 W·m−1·K−1)作为我们的最佳CMs产量最高的水蒸发率(0.959公斤·m−2·h−1)和能量转换效率(65.8%)1千瓦·m−2太阳能照明,有利竞争与非盟nanoparticles-loaded airlaid论文(Au-APs, 0.856公斤·m−2·h−1,58.7%)。
实验
材料
商业纤维素论文从金佰利公司(美国,34155 KIMWIPES)购买的大小11厘米×21厘米。商业airlaid论文从洁净室购买(中国、在制品- 0609)的大小22.86厘米×22.86厘米。商业洁净室雨刷(聚酯纤维)购买的洁净室(中国、在制品- 2009)的大小22.86厘米×22.86厘米。
制备非盟Nanoparticles-loaded Airlaid论文(Au-APs)
非盟的合成纳米颗粒
Au-APs首先产生基于文献报道方法(刘et al ., 2015 c)。通常,HAuCl 50毫升的1毫米4采用氯金酸水溶液tetrahytrate,化学试剂国药控股有限公司,有限公司,99.99%)添加到一个圆底烧瓶(100毫升),冷凝器和剧烈的搅拌煮。随后,5毫升的38.8毫米柠檬酸钠溶液(广州化学试剂厂)添加到HAuCl4水溶液。我们注意到的颜色解决方案从淡黄色kermesinus混合物。之后,混合解决方案是煮15分钟,继续搅拌(停止加热)1 h,直到冷却的解决方案。最后,胶体金纳米颗粒的溶液。
加载Airlaid Au纳米颗粒的论文
Au-APs的准备如下:一块剪美联社被100毫升烧杯的底部。后来,烧杯充满了30毫升的胶体金纳米粒子溶液。同时,烧杯和培养皿中填充有10毫升的甲酸(广州化学试剂厂)在室温下放置在一个密封的干燥器。48小时后,非盟纳米颗粒膜可以形成于空气与接口。其次是提取触底AP之间的解决方案和非盟纳米颗粒的电影,这部电影将涂在美联社。最后,Au-APs是通过干燥在烤箱50°C。
CMs的准备
在一个典型的实验中,一块布料(包括APs、CPs,水煤浆)下降到H2所以4:水:乙醇混合溶液(1:25:60,体积比)和在烤箱加热4 h 160°C下正常的气氛。最后,由去离子水清洗后,各种CMs通过干燥了。
材料的表征
紫外可见漫反射光谱和透射光谱的CMs测量使用UV / VIS / NIR分光光度计(UV3600,日本岛津公司)加上一个积分球(isr - 3100)。吸收率的计算是一个= 1-R-T, R和T的反射率和透射率,分别。CMs的表面成分测定与光电子能谱(XPS, ESCALAB 250, Thermofisher科学)配备一个单色x射线源(Al Kα1486.6 eV)。内容的C、H、S、O CMs进行测试的元素分析仪(EA,碧瑶风EL Elementar)。场发射扫描电子显微镜(FE-SEM日立s - 4800)被用来获取扫描电镜图像。CMs的导热系数测量的导热系数测量仪器(TPS 550年代,热磁盘)。铁的浓度3 +,艾尔。3 +、铬3 +、铜2 +、锰2 +,倪2 +CMs的测量使用等离子体原子发射光谱法(icp - aes、虹膜(人力资源),TJA)。
测试系统对太阳能蒸汽发电
测试系统的光源是由一个300 W氙灯(模拟太阳辐照、Microsolar 300, Perfectlight),由一个光辐射计校准(PL-MW2000 Perfectlight)。质量的变化是由一个电子天平准确记录(AR224CN排开)加上一个计算机计算的水蒸发率。同时,红外辐射(IR)相机(T420 FLIR)实时监测温度最后计算的能量转换效率。
结果与讨论
在先前的报道,APs常常被用作基质支持电浆吸收或引人注目的碳基吸收水分蒸发效率,分别。APs基体表面粗糙度的增加可能导致入射太阳光线的多次散射,导致的高吸收阳光。同时,APs的多孔结构有可能利用毛细管作用促进水的热地带,导致快速补充损失的地表水蒸发。此外,airlaid纸也可以作为一个良好的热绝缘体防止热损失,因为低导热系数(刘et al ., 2015 c,2017年)。然而,复杂的复合结构可能会准备和热/传质界面障碍(林et al ., 2018)。因此,商业纤维产品如APs可能直接应用light-to-heat转换太阳能蒸汽吸收器的一代。
为此,碳化airlaid纸(帽),这是基于商业APs的前体(由纤维素和45%的聚酯55%),已被选定。为了继承多孔结构和轻量级(ca 80 g·m−2补充表中,请参阅S1),帽直接获得使用H APs通过一个简单的碳化过程2所以4(图:水:乙醇混合解决方案1烤箱在正常大气中)。最高限额可以充分保留多孔结构就是明证的扫描电子显微镜(SEM)图像补充图S1。低密度的样本,可以安全地漂浮在水面上。这样开气孔结构将提供运输渠道快速运输的蒸气和液体(胡锦涛等人。,2017年;林et al ., 2018)。此外,由于APs的特定微观结构,局部对流会抑制在水蒸发(刘et al ., 2015 c;林et al ., 2018)。
图1。(一)APs的照片,Au-APs和帽子。(B)碳化airlaid纸的制造工艺。
如示意图,如图所示2和照片补充图S2,测试系统太阳能蒸汽发电能力的CMs由模拟太阳辐照、称重模块和温度监测系统。直径4厘米的CMs是浮在水面上称量瓶,这是位于光源下的电子天平。受到光照时,水的质量变化在太阳能蒸汽生成检测称重模块,配备了电子天平和电脑。同时,实时温度对CMs的表面被一个红外辐射测量(IR)相机(环境温度:25°C,湿度:50%)。
图2。测试系统的原理图对太阳能蒸汽发电能力。左下角:自由浮动的示意图CMs称量瓶中包含的水;右上角:红外图像的照明下的CMs。
质量和时间变化的典型曲线1太阳照明(下C选择= 1,太阳能照明功率密度为1千瓦·m−2为不同的样品表现出图)3,而水蒸发率(ṁ)计算曲线的斜率(补充表S1)。在太阳能照明功率密度的1千瓦·m−2测量的平均水蒸发率上限是0.924公斤·m−2·h−1,2.1倍的纯水(0.431公斤·m−2·h−1)和APs(0.440公斤·m−2·h−1)。此外,另一个参考样本Au-APs(如图1获得的蒸发速率的0.856公斤·m−2·h−1,低于上限(0.924公斤·m−2·h−1)。与以前的报告(刘et al ., 2015 c,2017年;卢et al ., 2016;王et al ., 2017 a,b)。帽子的最佳蒸发率(0.924公斤·m−2·h−1)representsone AP-based最好的太阳能吸收器的结果对太阳能蒸汽代下类似的温度和湿度(C选择= 1,25°C, 50%)。
图3。(一)质量变化的典型曲线与纯水,APs, Au-Aps,上限1太阳照明。(B)APs的照片,帽、CPs, ccp,水煤浆和公约。(C)质量变化的典型曲线与纯水,APs、帽、CPs, ccp,水煤浆,公约在1太阳照明。(D)APs的反射率光谱Au-APs,帽、CPs, ccp,水煤浆和公约。
然而,众所周知,纤维素的特点,如导热系数和吸收性,明显不同于聚酯(Idicula et al ., 2006),而APs的成分是55%的纤维素和45%涤纶。因此,它表明,优化的内容商业纤维产品的纤维素和聚酯可以有效地改善其热导率和吸墨性,以帮助减少热损失,提高太阳能的利用率,可能提高太阳能蒸汽发电能力的CMs (胡锦涛等人。,2017年)。商业CPs(100%的纤维素,纤维素论文)和水煤浆(100%涤纶,洁净室雨刷)选为来源准备各种CMs以同样的方式,这是贴上ccp(碳化纤维素论文)和公约(碳化洁净室雨刷),分别为(图3 b)。
如图3 c,平均蒸发率的各种CMs的太阳能照明下1太阳被测量是0.924(大写),0.959 (ccp)和0.722(公约)公斤·m−2·h−1分别是1.7 ~ 2.2倍与纯净水相比(0.431公斤·m−2·h−1),APs(0.440公斤·m−2·h−1),CPs(0.438公斤·m−2·h−1)和水煤浆(0.440公斤·m−2·h−1)(表1补充表S1)。特别是,ccp的蒸发率高于所有其他CMs。这样的高蒸发率的ccp可能是由于吸收力强等多种优点(低反射率)由于碳化,快速运输的气/液,因为多孔结构,并限制热扩散归因于低导热系数(刘et al ., 2015 c;胡锦涛等人。,2017年;林et al ., 2018)。
表1。各种样品的水蒸发率(ṁ)和能量转换效率的计算结果(ηECE)。
强烈的光吸收是最重要的一个条件light-to-heat转换可以通过测量紫外可见漫反射光谱(DRS)。如图3 d和补充表S2APs的反射率,CPs和水煤浆达到65.44,53.03和70.33%,分别与低辐照下表面温度一致。碳化后,帽子的反射率,ccp,和公约显著下降至8.38,7.34和27.57%,分别。此外,所有的样品的透光率< ca。2.5%(见补充图S3),这证实了强烈的吸收(70.86 ~ 92.20%,补充表S2CMs的)。特别是,ccp取得了最高92.20%的吸收与其他CMs和Au-APs(84.06%),对应于ccp在所有样品的蒸发率最高。
此外,高效的太阳能蒸汽一代的CMs取决于界面之间的液体和蒸汽的温度,这被认为是最重要的因素之一的水蒸发(Sartori 2000;Al-Shammiri 2002)。为了进一步探索界面的温度影响CMs,使用一个红外摄像头监控界面温度和时间在太阳能蒸汽生成(图4)。1 h照明太阳后,CMs的温度达到40.3°C(帽),41.2°C (ccp)和37.5°C(公约),分别显示,增加比纯水(29.3°C)和纤维产品(29.7 ~ 30.0°C)。尤其是ccp和帽子的温度高于Au-APs,支持他们更好的性能在水中比Au-APs蒸发测试。与此同时,ccp的实际温度与时间的变化在补充图1阳光下显示S4A,证书更比纯水和CPs的增加。
图4。温度变化的红外图像的纯净水,Au-APs, APs,帽、CPs, ccp,水煤浆,公约(水浸法)在太阳光照在1 h。
CMs的碳化后,组件将会发生改变,这可能是由元素分析证实(EA,见补充表S3)。很少的微量金属在CMs内容还测试了由电感耦合等离子体原子发射光谱法(icp - aes,补充表S4)。碳化程度的变化和氧化程度,减少热导率的CMs可能应归因于增加碳碳(C的specra 1 s,补充图S6),O c的增加和减少的-哦(O的specra 1 s,补充图S7碳化后),这可能是经由和x射线光电子能谱(XPS,见补充数据S5- - - - - -S7)。热导率(补充表S1)的CMs (0.031 ~ 0.058 W·m−1·K−1)低于纤维产品(0.119 ~ 0.150 W·m−1·K−1),Au-APs (0.49 W·m−1·K−1)(刘et al ., 2015 c),纯净水(0.56 W·m−1·K−1)(刘et al ., 2015 c)。相对于其他CMs(见补充表S1),ccp的低导热系数(0.031 W·m−1·K−1),这将有利于限制热扩散,导致显著的性能提升的ccp太阳能蒸汽发电。
基于上述讨论,集中显示最优水蒸发率在CMs归因于其较低的热导率和更好的光吸收。为了更准确地评估太阳能蒸发性能,能量转换效率(ηECE)计算通过以下方程:
ṁ质量通量,hLV是总液汽相变焓,P0是正常的太阳能照明的太阳(1千瓦·m−2),C选择P0指吸收器表面上的光照强度(周et al ., 2016 c)。的计算hLV是基于显热及蒸发焓与温度有关的(见补充表吗S1,刘et al ., 2017)。计算ηECE太阳能蒸汽代下相应的太阳能照明是如图5误差线。的ηECEccp(红色圆形分)计算为65.8% 1太阳光照下,最好的效率相比(表与其他样品1补充表S1)。
图5。(一)平均蒸发率(左侧轴),纯净水,Au-APs,帽、ccp,和公约(黑方块分)1太阳能照明下的太阳,连同相应的ηECE纯水、Au-APs帽、ccp,公约(红色圆形点,右边轴)。(B)1太阳照射下ccp回收再循环能力的20倍。每个周期测试1 h。
由于太阳能的重要性强度波动作为太阳能蒸发的特性,如补充图所示S4B,平均蒸发率的ccp的各种太阳能照明下1、2、3、4和6的太阳已经另外调查,对应于0.959,1.877,2.843,3.801,和5.712公斤·m−2·h−1,分别。ca。相比之下与纯水的2.1倍(与0.431、0.883、1.267、1.740和2.684公斤·m−2·h−1分别)。ccp的为了获得更好的性能,影响CMs的厚度与不同层次(ccp)一直在探索(补充图自己),这表明,两层ccp (CCPs-2层,1.057公斤·m−2·h−1)取得了最好的水蒸发率比单层、三层ccp (CCPs-1层,0.954公斤·m−2·h−1和CCPs-3层0.988公斤·m−2·h−1)。增加ccp的厚度,水蒸发率的ccp首先提出,然后下降一点,但是结果仍然表明,通过添加一个增强ccp的层。此外,太阳能吸收器的再循环能力是高效的太阳能蒸汽形成的重要方面。如图5 b再循环能力的集中交易对手调查(C选择= 1,在25°C,湿度50%),蒸发率没有明显衰减观察20周期。
结论
总之,我们已经证明了使用独立的多孔carbonized-membranes (CMs)来自商业一步碳化纤维产品的独立太阳能吸收器高效太阳能蒸汽发电。我们建议的CMs具有强烈的吸收,多孔结构和低导热系数显示更好的蒸发性能比纯水和相应的原始纤维产品。结果,优化CMs源自碳化纤维素论文(ccp),达到最好的水蒸发率0.959公斤·m−2·h−1和65.8%的能量转换效率1千瓦·m−2太阳能照明,优于另一个CMs,电浆airlaid纸(Au-APs)。因此,CMs,尤其是ccp,蕴含着巨大的希望作为独立的太阳能吸收器的大规模应用太阳能蒸汽发电。
作者的贡献
XL写道。XL和我进行了实验。DY, WH和XC不仅设计了实验,但也检查和修正。所有的作者加入了讨论。
利益冲突声明
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(批准号51573214;51833011),广东YangFan & Entepreneurial创新研究团队项目(项目号201633002)和中国青年1000人才计划。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fmats.2018.00074/full补充材料
引用
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关键词:太阳能吸收器、太阳能蒸汽发电、多孔膜、纤维制品、光热光谱分析转换
引用:林X,杨M,香港W,陈昱D和X(2018)商业纤维产品派生自立式多孔Carbonized-Membranes高效太阳能蒸汽发电。前面。母亲。5:74。doi: 10.3389 / fmats.2018.00074
收到:2018年10月04;接受:2018年11月27日;
发表:2018年12月14日。
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